حماية الصمام الثنائي عالي الجهد من التيار العكسي في مقومات إشعال البلازما

حماية الصمام الثنائي عالي الجهد من التيار العكسي في مقومات إشعال البلازما

الملخص

تتعطل مقومات الإشعال وثنائيات التثبيت بشكل عكسي، وتختبئ آلية عملها داخل الظاهرة العابرة. تتناول هذه المقالة تكامل طاقة الانهيار، والتسخين الموضعي للوصلة الناتج عنه، ومعيار التلف التراكمي الذي يتنبأ بعمر افتراضي يصل إلى مليون حدث، وأرقام المشاركة للسلاسل المتصلة على التوالي، وقيم التخميد التي تُبقي ذروة الجهد دون الحد المقنن.

1. مقدمة

تظهر الثنائيات عالية الجهد في ثلاثة مواضع في نظام إشعال البلازما: المقوم الذي يشحن الخزان، والمثبت الذي يحد من الجهد العابر الخارج، والمخمد الذي يمتص طاقة التبديل. ويواجه كل منها بيئة عكسية قاسية. فعندما يبدأ الإشعال أو ينفصل المثبت، يدفع جهد عابر الثنائي إلى الانحياز العكسي إلى مستوى أعلى بكثير من قيمته المقدرة للتشغيل المستمر.

نادراً ما ينجم عطل التيار العكسي عن زيادة مفاجئة في الجهد الكهربائي، بل عن انهيارات متكررة عند عيب واحد في الوصلة. كل حدث يُولّد كمية صغيرة من الحرارة، ويتدهور ذلك الموضع حتى يحدث قصر أو انقطاع في الصمام الثنائي بعد أشهر من بدء تشغيل الجهاز.

تُشير بصمة المجال إلى عطل غامض في الصمام الثنائي. يتم استبدال القطعة، ويعمل الجهاز، ثم يعود العطل على فترات منتظمة. يتم الالتزام بقيم الحالة المستقرة، لذا يبدو التصميم صحيحًا، ويكمن السبب في حدث مدته 50 نانوثانية لم يقم أحد بقياسه.

تتناول هذه المقالة طاقة الانهيار الجليدي، والتسخين الموضعي الذي يسببه، والضرر التراكمي الذي يؤدي إلى تدهور الحياة، ومشكلة المشاركة في السلاسل المتسلسلة، والمخمد الذي يبقي الارتفاع المفاجئ أقل من التصنيف.

2. الآلية الأساسية

لا يمرر الصمام الثنائي المنحاز عكسياً سوى تيار التسريب الخاص به حتى يصل الجهد إلى مستوى انهيار الانهيار الجليدي V_BR. وفوق هذا المستوى، يصبح الوصل موصلاً، وتستقر الطاقة العابرة في السيليكون.

2.1 طاقة الانهيار الجليدي لكل حدث

الطاقة الممتصة في نبضة انهيار جليدي واحدة هي تكامل التيار مضروبًا في الجهد خلال النبضة:

E_av = ½ · i_pk · V_av · t_p

حيث E_av هي طاقة الانهيار بالجول، و i_pk هي ذروة تيار الانهيار بالأمبير، و V_av هو جهد الانهيار بالفولت، و t_p هو عرض النبضة بالثانية. ينطبق عامل النصف على النبضة المثلثية، وهو ما تبدو عليه ذروة الاستعادة.

تصل ذروة التيار المقاسة على مقوم جهد 10 كيلو فولت إلى 15 كيلو فولت لمدة 50 نانو ثانية مع ذروة انهيار تبلغ 0.4 أمبير. تبلغ الطاقة لكل حدث 150 ميكرو جول. يغطي تصنيف التكرار في ورقة البيانات حدثًا واحدًا، ولا يوجد ما يشير إلى مليون حدث.

2.2 تسخين الوصلات الموضعي

لا تُسخّن هذه الطاقة البالغة 150 ميكرو جول الشريحة بأكملها، بل تُسخّن طبقة رقيقة عند موضع الانهيار، لأن نبضة مدتها 50 نانو ثانية لا تملك الوقت الكافي للانتشار. ويكون ارتفاع درجة الحرارة في هذه الطبقة كما يلي:

ΔT_j = E_av / (c_v · A_j · √(α · t_p))

حيث ΔT_j هو ارتفاع درجة الحرارة المحلية بالكلفن، وE_av هي طاقة الانهيار بالجول، وc_v هي السعة الحرارية الحجمية للسيليكون عند 1.63 جول/(سم³·كلفن)، وA_j هي مساحة الوصلة النشطة بالسم²، وα هي الانتشارية الحرارية عند 0.9 سم²/ثانية، وt_p هو عرض النبضة بالثواني.

بالنسبة لوصلة مساحتها 1 مم²، يبلغ عمق الانتشار بعد 50 نانوثانية 2.1 ميكرومتر. تحتوي الطبقة المسخنة على 3.5 ميكرو جول/كلفن، لذا فإن حدثًا مقداره 150 ميكرو جول يرفع درجة الحرارة المحلية بمقدار 43 كلفن. تنتشر الحرارة في غضون ميكروثانية، ويحدث الاشتعال التالي بعد 10 مللي ثانية.

2.3 لماذا تخفي درجة حرارة الهيكل الضرر

يكون متوسط ​​ارتفاع درجة حرارة الوصلة الناتج عن نفس النبضة ضئيلاً للغاية، وهو يتبع الثابت الزمني الحراري للغلاف.

ΔT_avg = E_av · R_th · (1 − exp(−T_rep / τ_th))

حيث ΔT_avg هو متوسط ​​ارتفاع درجة الحرارة بالكلفن، وE_av هي طاقة الانهيار بالجول، وR_th هي المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الغلاف بالكلفن/واط، وT_rep هي فترة الاشتعال بالثواني، وτ_th هو ثابت الزمن الحراري للعبوة بالثواني.

مع R_th = 1.2 K/W، وT_rep = 10 ms، وτ_th = 12 ms، يكون متوسط ​​الارتفاع 0.0001 K لكل عملية اشتعال. يشير المزدوج الحراري الموجود على الغلاف إلى سلامة الجهاز، بينما يرتفع موضع العطل بمقدار 43 K في كل دورة. لذا، فإن معيار التلف يقيس الطاقة، وليس درجة الحرارة.

E_cum = Σ_k E_av,k < E_crit

حيث E_cum هي طاقة الانهيار المتراكمة بالجول، وE_av,k هي طاقة الحدث k بالجول، وE_crit هي الطاقة التي تنتج فوهة انصهار بالجول. يفشل وصلة ذات E_crit = 150 جول بعد 10⁶ أحداث عند 150 ميكرو جول لكل منها، وهو ما يعادل 1,700 ساعة من القطع عند 600 اشتعال في الساعة.

2.4 أرقام الدوائر المحيطة بالدايود

تحدد ثلاث قيم للدائرة مقدار الطاقة العابرة التي تصل إلى نقطة الوصل. ويحدد فقد التوصيل في السلسلة خطها الحراري الأساسي.

P = I² · R

حيث P هي الفقد الأومي، وI هي شدة التيار بالأمبير، وR هي مقاومة الحلقة بالملي أوم. الأمبير والملي أوم يعطيان الملي واط، لذا فإن متوسط ​​التيار الأمامي 0.8 أمبير لمقوم شحن يمر عبر سلسلة مقاومتها 150 ملي أوم يبدد 96 ملي واط. قراءة هذه النتيجة بالواط خاطئة بمعامل 1,000.

يحدد ثابت زمن التخميد المدة التي تعمل فيها شبكة التخميد على ذروة الاستعادة:

τ = R · C

حيث τ هو ثابت الزمن، وR هي مقاومة دائرة التخميد بالأوم، وC هي سعة دائرة التخميد بالنانو فاراد. تُعطي الأوم والنانو فاراد وحدات زمنية بالنانو ثانية، لذا فإن دائرة تخميد بقيمة 100 أوم وسعة 4.7 نانو فاراد تُعطي 470 نانو ثانية. قراءة هذه النتيجة بالميكرو ثانية خاطئة بمقدار 1,000، ودائرة تخميد بقيمة 470 ميكرو ثانية لن تلامس ذروة مدتها 50 نانو ثانية.

تقع حلقة الاستعادة عند التردد المحدد بواسطة محاثة التسرب وسعة الوصلة:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

حيث f_r هو تردد الرنين بالميغاهرتز، وL هو مجموع محاثة التسريب في المحول وحث الحلقة بالنانو هنري، وC هي سعة وصلة الثنائي بالبيكو فاراد. مسار تسريب 2,000 نانو هنري مع وصلة 25 بيكو فاراد يرن بتردد 22.5 ميغاهرتز، أي بفترة 44 نانو ثانية. تمثل النبضة التي مدتها 50 نانو ثانية نصف دورة من هذا الرنين، ويجب على دائرة التخميد إخمادها في غضون 470 نانو ثانية.

الشكل 1 - نبضة مدتها 50 نانوثانية عند 15 كيلو فولت تودع 150 ميكرو جول لكل اشتعال، لذلك يصل تلف الوصلة إلى حد 150 جول بعد مليون حدث.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: تم تقييمها في حالة الاستقرار، وفشلت في حالة التغير العابر

يُشترى الصمام الثنائي لجهده العكسي المستمر. ثم يُولّد جهد الاشتعال العابر قيمةً تبلغ 1.5 ضعف تلك القيمة لمدة 50 نانوثانية. كل ارتفاع مفاجئ في الجهد أقل من تصنيف الارتفاع المفاجئ للحدث الواحد، ويؤدي تكراره إلى تلف تراكمي في موضع واحد.

نقطة الألم الثانية: انهيار ديناميكي ناتج عن التعافي السريع

تُجبر حواف الدائرة السريعة الصمام الثنائي على التعافي عند معدل تغير تيار عالٍ (di/dt). تعمل طبقة الاستنزاف المتحركة على ضغط المجال، ويحدث انهيار داخلي للصمام الثنائي تحت جهد الانهيار (V_BR). على الرغم من أن القطعة مصنفة بشكل صحيح، إلا أنها تفشل، لأنه لا يوجد رقم في ورقة البيانات يغطي هذا الوضع.

المشكلة الثالثة: عدم المساواة في توزيع البيانات في سلاسل البيانات المتسلسلة

تتشارك عشرة ثنائيات موصولة على التوالي في دائرة تثبيت جهد 100 كيلو فولت الجهد العكسي عبر سعاتها وتسريباتها، وتختلف هذه القيم. يتحمل الثنائي العلوي جهدًا مقداره 2.4 كيلو فولت مقابل متوسط ​​1.6 كيلو فولت عند جهد عابر مقداره 15 كيلو فولت، لذا فهو يتحمل طاقة الانهيار الجليدي للسلسلة بأكملها.

نقطة الضعف الرابعة: عدم وجود تخميد للتعافي العابر

يتذبذب تيار استعادة مقوم الشحن مع تسرب المحول عند تردد 22.5 ميجاهرتز. وبدون دائرة تخميد، يمتص الصمام الثنائي نبضة الإيقاف الخاصة به، وهي الحدث الذي يزود الجهد 15 كيلوفولت في المقام الأول.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تقييم الصمام الثنائي للظروف العابرة

قم بقياس أسوأ ارتفاع عكسي باستخدام مشبك التحرير وحلقة الاستعادة المرفقة. اختر المعدل الصمام الثنائي عند 1.5 ضعف تلك القيمة المقاسة، ثم تحقق من طاقة الانهيار لكل حدث مقابل 150 ميكرو جول والمجموع المتراكم مقابل E_crit.

الاستراتيجية الثانية: التحكم في معدل التعافي di/dt

أضف محاثة متسلسلة أو دائرة تخميد عند مقوم التيار وثنائيات التثبيت لضمان انخفاض تيار الاستعادة تدريجيًا. قِس شكل موجة الاستعادة وحافظ على معدل تغير التيار (di/dt) أقل من المستوى الذي يُفعّل وضع الانهيار الديناميكي. تُعتبر درجة الاستعادة الناعمة بزمن استعادة أقل من 1 ميكروثانية نقطة البداية.

الاستراتيجية الثالثة: موازنة السلاسل المتسلسلة مع RC المتوازية

قم بتركيب كل ثنائي في السلسلة بـ مقاومة التدرج يُستخدم مكثف لتوزيع التيار المستمر، ومكثف آخر لتوزيع التيار العابر. يهيمن المكثف على توزيع التيار العابر، لذا فإن استقراره هو ما يحدد التوزيع. يحمل كل ثنائي مقاوم بقيمة 200 ميجا أوم تيارًا مقداره 50 ميكرو أمبير عند جهد 10 كيلو فولت، أي ما يعادل عشرة أضعاف تيار التسريب في وصلة سليمة.

الاستراتيجية الرابعة: تجاهل حلقة الاسترداد

اضبط دائرة تخميد RC موصولة بكل ثنائي على تردد الرنين المقاس البالغ 22.5 ميجاهرتز. مقاومة 100 أوم بسعة 4.7 نانوفاراد تعطي ثابتًا زمنيًا قدره 470 نانوثانية، مما يُخمد تردد الرنين البالغ 44 نانوثانية ويخفض ذروة الجهد من 15 كيلوفولت إلى 11 كيلوفولت. استخدم مكثف الفيلم في دائرة التخميد عندما يكون معدل الحافة مرتفعًا، وتحقق من قدرة المقاومة لأن دائرة التخميد تمتص الطاقة التي كان من الممكن أن تأخذها الوصلة لولا ذلك.

الاستراتيجية الخامسة: تتبع حالة الصمام الثنائي بشكل غير مباشر

يقيس جهاز التحكم بالفعل زمن الشحن وتموج جهد الخزان. يظهر انحراف المقوم على شكل زيادة في التموج أو زيادة في زمن الشحن قبل تعطلّه. راقب كلا القيمتين خلال كل وردية، واستبدل الصمام الثنائي عند حدوث تغيير بنسبة 10% في أي منهما.

الاستراتيجية السادسة: التحقق من الصحة باختبار اندفاع مليون نبضة

شغّل مقوم التيار وثنائيات التثبيت عند أسوأ معدل اشتعال لمدة 10⁶ حدثًا باستخدام شكل الموجة العابرة الحقيقي. يجب أن يكون تيار التسريب وجهد الانهيار ضمن نطاق 5% من القراءات الأولية. الاختبار الذي يتوقف عند 10⁵ حدثًا يُغفل الوضع التراكمي تمامًا.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
جهد عكسي متكرر الذروة	10 كيلو فولت V_RRM	سلسلة 2CL، 25 درجة مئوية
متوسط ​​التيار إلى الأمام	0.8 A I_F(AV)	موجة مستطيلة، درجة الحرارة الحرجة ≤ 85 درجة مئوية
تيار الاندفاع الأمامي	100 أمبير عند 8.3 مللي ثانية	ارتفاع واحد، I_FSM
وقت الاسترداد العكسي	< 1 ميكروثانية trr	درجة استعادة ناعمة
سعة الوصلة	25 بيكوفاراد نموذجي.	V_R = 4 كيلو فولت، 1 ميجاهرتز
درجة حرارة التشغيل	55 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	تي جيه ماكس
التسرب الحالي	< 5 ميكرو أمبير عند V_RRM	25 درجة مئوية، تصنيف كامل

5. مكثفات HVC لهذه العقدة

تحتاج شبكة الحماية المحيطة بثنائي الجهد العالي إلى مكثفات تحافظ على قيمتها أثناء ارتفاع الجهد المفاجئ. وتؤدي مكونات الجهد العالي هذه المهمة:

• تحافظ سعة المشاركة الديناميكية ضمن نطاق ±30 جزء في المليون/درجة مئوية على كل ثنائي في السلسلة عند نفس الجهد العابر.
• إن قيمة tanδ عند أو أقل من 0.1% تضع طاقة الاسترداد في مقاومة التخميد، حيث ينبغي أن تكون.
• تغطي التصنيفات من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت عمليات الموازنة والتثبيط لأطول سلاسل المقومات.
• يؤدي التفريغ الجزئي الذي يقل عن 5 بيكو كولوم إلى منع أجزاء التخميد والموازنة من إضافة ضوضاء إلى بيئة الصمام الثنائي.
• لا تتأثر السيراميك من الفئة الأولى بمرور الزمن، لذا فإن دوائر الموازنة والتخميد تحافظ على قيمها طوال عمر الجهاز.
• 40 كيلو فولت المكثفات مقابض الابواب و 4.7 نانو فاراد المكثفات القرص السيراميك تُستخدم اليوم في أنظمة تقويم الجهد العالي وأنظمة النبضات بنفس قدرة تحمل الاندفاع.

التوصيل والدعم يغطي أ إشارة الصليب مقارنةً بأجزاء الموازنة والتخميد التي تستخدمها حاليًا، قم بقياس بيانات السعة و tanδ للدفعة المُسلّمة، وعينات لجهاز المليون نبضة، ودعم التطبيق لقياس شكل موجة الاستعادة. أرسل جهد السلسلة، وعدد الثنائيات، وتردد الاستعادة، ومعدل الإشعال.

6. أسئلة مكررة

س1: لماذا يفشل الصمام الثنائي المصنف بشكل صحيح؟

تغطي ورقة البيانات جهد الانعكاس المستمر وحدث ارتفاع مفاجئ واحد. يتكرر الارتفاع المفاجئ للاشتعال بمقدار 15 كيلو فولت عند 150 ميكرو جول مليون مرة، وتصل الطاقة التراكمية عند عيب واحد إلى حد الحفرة البالغ 150 جول. لا توجد قيمة في حالة الاستقرار تتنبأ بذلك.

س2: كيف أقيس الارتفاع العكسي بأمان؟

استخدم مسبارًا عالي الجهد مُعاوَضًا عند أطراف الصمام الثنائي مع سلك تأريض قصير، وقم بتشغيله عند حافة الإشعال. سجّل الذروة والعرض وتردد الرنين. يتطلب حدث مدته 50 نانوثانية نطاق تردد للمسبار يزيد عن 100 ميجاهرتز لإظهار سعته الحقيقية.

س3: ما مقدار طاقة الانهيار الجليدي التي يمكن أن توفرها نبضة واحدة؟

بالنسبة للنبضة المثلثية، تكون الطاقة نصف حاصل ضرب تيار الذروة، وجهد الانهيار، وعرض النبضة. فعلى سبيل المثال، ينتج عن ذروة تيار 0.4 أمبير عند جهد 15 كيلوفولت لمدة 50 نانوثانية طاقة قدرها 150 ميكرو جول. قارن هذه القيمة مع قيمة النبضة الواحدة قبل النظر في التكرار.

س4: ما هي القيمة التي توازن سلسلة مكونة من 10 ثنائيات؟

تحمل مقاومة تدرجية بقيمة 200 ميجا أوم لكل ثنائي تيارًا مقداره 50 ميكرو أمبير عند جهد 10 كيلو فولت، أي عشرة أضعاف تيار التسريب في وصلة سليمة، لذا فإن توزيع التيار المستمر يتبع المقاومات. ثم يحافظ مكثف سعته 4.7 نانو فاراد لكل ثنائي على توزيع التيار العابر ضمن نطاق 5% من المتوسط.

س5: هل قيمة مكثف التخميد مهمة؟

يُحدد هذا زمن التخميد. مقاومة 100 أوم بسعة 4.7 نانوفاراد تُعطي زمن تخميد 470 نانوثانية، أي ما يُعادل عشرة أنصاف دورات لحلقة ترددها 22.5 ميجاهرتز، وهو ما يكفي لخفض جهد 15 كيلوفولت إلى 11 كيلوفولت. السعة الأصغر تُخمد الحلقة لفترة زمنية أقصر.

س6: ما الذي يكشفه اختبار المليون نبضة؟

الوضع التراكمي. ينحرف كل من تيار التسريب وجهد الانهيار قبل حدوث قصر في الوصلة. قم بتشغيل جميع الأحداث العشرة (10⁶) بأقصى معدل اشتعال، واشترط أن تكون كلتا المعلمتين ضمن نطاق 5% من القراءات الأولية.

7. المراجع

1. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
2. كوفيل، إي.، زينجل، دبليو إس، وكوفيل، جيه.، هندسة الجهد العالي: الأساسيات، الطبعة الثانية. أكسفورد: نيونس، 2000.
3. إن. موهان، تي إم أنديلاند، و دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين: وايلي، 3.
4. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونيةواشنطن العاصمة: وزارة الدفاع الأمريكية، 1995.
5. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. غيغابايت / تي 7354-2018، أفضل الأسعار في العالم. المصدر: 中国标准出版社، 2018.
7. واي. تشين، إتش. لي، إف. لين، إف. ليف، إم. تشانغ، زد. لي، وآخرون، دراسة حول خصائص الإصلاح الذاتي وعمر مكثف الأغشية المعدنية تحت تأثير مجال كهربائي عالٍ، مجلة IEEE للمعاملات في علوم البلازما، المجلد 40، العدد 8، الصفحات 2014-2019، 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699.
8. ف. بيليايف، نموذج الوميض السطحي للعازل في الفراغ، في وقائع المؤتمر الدولي الثامن عشر حول التفريغات والعزل الكهربائي في الفراغ (ISDEIV)، الصفحات 151-154، 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
9. كيف يمكنني تحديد جهد انهيار المكثف؟، منتدى كل شيء عن الدوائر، https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
10. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com